DE2936689A1

DE2936689A1 - Verfahren und vorrichtung zur feststellung von fehlerstellen auf werkstueckoberflaechen

Info

Publication number: DE2936689A1
Application number: DE19792936689
Authority: DE
Inventors: Emilio Milana; Franco Rasello
Original assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Current assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Priority date: 1978-10-24
Filing date: 1979-09-11
Publication date: 1980-04-30
Also published as: GB2032616B; US4296333A; IT7869439A0; IT1108254B; FR2449880A1; GB2032616A; CA1122672A; JPS5559332A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Feststellung von Fehlerstellen auf Werkstückoberflächen sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es sind bereits mechanische und optische Verfahren bekannt, mit welchen Fehlerstellen auf Werkstückoberflächen, beispielsweise Durchbrechungen, Kratzer oder Eindellungen, festgestellt werden können. Die bekannten Verfahren sowie die in diesem Zusammenhang verwendeten Vorrichtungen erweisen sich jedoch als relativ aufwendig, so daß derartige Prüfvorgänge nicht unmittelbar an der Arbeitsstelle, d.h. dem Ort der Herstellung des betreffenden Werkstücks, vorgenommen werden können.

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Es ist demzufolge Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, bei welchem Fehlerstellen an Werkstoff oberflächen - beispielsweise Durchbrüche, Kratzer und Eindellungen - unmittelbar nach Durchführung des mechanischen Bearbeitungsvorgangs festgestellt werden können, demzufolge eine sehr einfache Qualitätskontrolle der hergestellten Werkstücke möglich ist.

Erfindungsgemäß wird dies mit Hilfe der im Anspruch 1 aufgeführten einzelnen Verfahrensschritte erreicht.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ergibt sich anhand der Merkmale des Anspruchs 3.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich anhand der weiteren Unteransprüche.

Das Verfahren und die Vorrichtung zur Feststellung von Fehlerstellen auf Werkstückoberflächen soll nunmehr näher erläutert werden, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Feststellung von Fehlerstellen auf Werkstückoberflächen, und

Fig. 2 ein Blockdiagramm der Signalverarbeitungseinheit der Vorrichtung von Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Feststellung von Fehlerstellen auf Werkstückoberflächen eine Quelle von monochromatischem Licht, in dem vorliegenden Fall einen Laser 10, auf, von welchem in einem kurzen Abstand eine Fokussierlinse 12 angeordnet ist, die den von dem Laser 10 abgegebenen Lichtstrahl fokussiert. Ent-

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lang der Achse der Fokussierlinse 12 sind ein semitransparenter Spiegel 14 sowie ein weiterer Spiegel 16 angeordnet. Der Spiegel 16 ist in seiner Mitte um eine horizontale Achse 18 schwenkbar gelagert, wobei diese Achse 18 im Brennpunkt einer zylindrischen Linse 20 liegt, die unterhalb des Spiegels 16 angeordnet ist. Der Spiegel 16 kann um seine Achse 18 mit einer Frequenz von etwa 50 Hz zum Oszillieren gebracht werden, wobei eine nicht gezeigte Einrichtung - beispielsweise in Form eines Galvanometers vorgesehen ist, dem ein elektrisches Signal mit dreieckförmigem Spannungsverlauf zugeführt wird.

Unterhalb des semitransparenten Spiegels 14 ist ein erster Fotovervielfacher 22 angeordnet, während ein zweiter Fotovervielfacher 24 in der Nähe der zylindrischen Linse 20 derart angeordnet ist, daß seine Lichtaufnahmeöffnung nach abwärts gerichtet ist. Die Achse des zweiten Fotovervielfachers 24 bildet dabei einen Winkel in bezug auf die optische Achse der zylindrischen Linse 20, wobei dieser Winkel in dem beschriebenen Fall ungefähr 50° beträgt. Die Ausgangssignale der beiden Fotovervielfacher 22, 24 werden einer Auswerteinheit 26 zugeführt, dessen Anzeigeplatte mit zwei Monitoren 30, 32 für die Anzeige der Signalgrößen der beiden Fotovervielfacher 22, 24 sowie einer Anzeigelampe 34 versehen ist.

Gemäß Fig. 2 weist die Auswerteinheit 26 einen elektronischen Kreis 36 auf, welcher eine Summierstufe 38 besitzt, an deren beiden Eingängen die Ausgangssignale der Fotovervielfacher 22, 24 zugeführt werden. Ausgangsseitig ist die Summierstufe 38 mit einer Quadrierstufe 40 verbunden, die wiederum ausgangsseitig mit dem einen Eingang einer Vergleichsstufe 42 verbunden ist. Der andere Eingang die ser Vergleichsstufe ist mit einem Einstellpotentiometer

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44 verbunden, welches an der Anzeigeplatte 28 der Auswerteinheit 26 befestigt ist. Ausgangsseitig ist die Vergleichsstufe 42 mit der Anzeigelampe 34 verbunden.

Der Laser 10, die beiden Linsen 12 und 20, die beiden Spiegel 14 und 16, sowie die beiden Fotovervielfacher 22 und 24, können in einem nicht dargestellten Schutzgehäuse angeordnet sein, welches einen transparenten Bereich für den Lichtaustritt aus der zylindrischen Linse 20 und die Lichtaufnahmeöffnung des zweiten Fotovervielfachers 24 besitzt.

Die Funktionsweise der beschriebenen Vorrichtung ist wie folgt: Während des Betriebs wird die Vorrichtung oberhalb eines Trägers 46 angeordnet, auf welchem ein Werkstück P befestigt ist, das gerade mechanisch bearbeitet worden ist und nunmehr optisch untersucht werden soll. Die Anordnung der Vorrichtung in bezug auf das Werkstück P ist dabei derartig getroffen, daß die optische Achse der zylindrischen Linse 20 senkrecht zu der Oberfläche des Werkstücks P steht. Bei dem Werkstück P handelt es sich beispielsweise um einen Bremszylinderkolben für Kraftfahrzeuge. Der Laser wird nunmehr erregt, so daß er einen Strahl von kohärentem monochromatischem Licht abgibt. Dieser Lichtstrahl wird über die Fokussierlinse 12 und den semitransparenten Spiegel 14 auf den Spiegel 16 geworfen, der im Bereich der Brennlinie der zylindrischen Linse 20 angeordnet ist. Auf diese Weise wird erreicht, daß der von dem Spiegel 16 umgeleitete Lichtstrahl über die zylindrische Linse 20 hinweg senkrecht auf der Oberfläche des Werkstückes P auffällt. Die beiden Linsen 12 und 20 sowie die beiden Spiegel 14 und 16 bilden somit ein erstes optisches System, mit welchem der Lichtstrahl senkrecht auf das Werkstück P geworfen wird.

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Durch oszillierende Bewegungen des Spiegels 16 um seine Achse 18 wird der Lichtstrahl des Lasers 10 mit einer vorgegebenen Amplitude entlang der Oberfläche der zylindrischen Linse 20 und demzufolge entlang der Werkstückoberfläche hin- und hergeführt, wobei mit Hilfe der zylindrischen Linse 20 das senkrechte Auffallen des Lichtstrahls auf der Oberfläche des Werkstücks P gewährleistet ist. Da es sich bei dem gewählten Beispiel bei dem Werkstück P um einen zylindrischen Kolben handelt, wird der Lichtstrahl somit entlang einer Linie auf der Zylinderoberfläche bewegt, welche parallel zu der Achse des zylindrischen Kolbens verläuft.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das Abtasten des Lichtstrahls mit Hilfe eines oszillierenden Spiegels 16 sowie einem dazu notwendigen Bewegungsmechanismus erreicht. Es ist jedoch möglich, die gewünschte Abtastung des Lichtstrahls mit Hilfe einer beliebigen Anordnung zu erreichen, mit welcher der Lichtstrahl und das Werkstück P relativ zueinander bewegt werden.

Beim Entlanggleiten des Lichtstrahls entlang der Oberfläche des Werkstückes P wird derselbe zum Teil senkrecht reflektiert, zum Teil unregelmäßig gestreut. Die senkrecht reflektierte Komponente des Lichtes wird über die zylindrische Linse 20 und den Spiegel 16 dem semitransparenten Spiegel 14 zugeführt, welcher diesen Teil des Lichtstrahls in Richtung des ersten Fotovervielfachers 22 wirft. Die Linse 20 sowie die beiden Spiegel 14 und 16 bilden somit ein zweites optisches System, welches die senkrecht reflektierten Komponenten der reflektierten Strahlung dem ersten Fotovervielfacher 22 zuführt. Zur selben Zeit

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wird ein Teil der gestreut abgegebenen Strahlung der Aufnahmeöffnung des zweiten Fotovervielfachers 24 zugeführt, wobei diese Komponente eine Neigung in bezug auf die optische Achse der zylindrischen Linse 20 besitzt, die im wesentlichen der Neigung der Achse des zweiten Fotovervielfachers 24 entspricht. Die Ausgangssignale der beiden Fotovervielfacher 22, 24 werden über die Monitoren 30 und 32 dem elektronischen Kreis 36 zugeführt, in welchem innerhalb der Summierstufe 38 eine Summierung der beiden Signale erfolgt, um auf diese Weise die durch die Rauhigkeit der Oberfläche des Werkstücks P bedingte Rauschkomponente zu verringern. Das Ausgangssignal der Summierstufe 38 wird dann der Quadrierstufe 40 zugeführt, welche eine Quadrierung vornimmt, um auf diese Weise die Signalspitzen in bezug auf den Signalmittelwert' zu verstärken. Das von der Quadrierstufe 40 abgegebene Signal wird dann dem einen Eingang der Vergleichsstufe 42 zugeführt, dessen anderem Eingang ein vorgegebenes Schwellwertsignal zugeführt wird, das automatisch oder manuell mit Hilfe des Potentiometers 44 eingestellt werden kann.

Wenn nun der entlang der Oberfläche des Werkstücks P entlanggleitende Lichtstrahl einen Fehler in dem Werkstück P feststellt - beispielsweise eine Durchlöcherung, einen Kratzer oder eine Eindellung - dann ergeben die Signalgrößen der beiden Fotovervielfacher 22, 24 eine plötzliche Veränderung, welche in der Regel negativ ist, da derartige Oberflächenfehler als Absorptionszentren für einfallendes Licht angesehen werden können. Falls die Signaländerung derart ist, daß das Ausgangssignal der Quadrierstufe 40 den vorgegebenen Schwellwert unterschreitet,dann gibt die Vergleichsstufe 42 ein Ausgangssignal ab, wodurch die Anzeigelampe 34 zum Aufleuchten gebracht wird.

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■" " ORiGlNAL INSPECTED

Bei dem beschriebenen Beispiel/ bei welchem das Werkstück P eine zylindrische Form hat, ist es möglicht, die gesamte Oberfläche des Werkstücks P zu überprüfen, indem jeweils Streifen entlang der Zylinderoberfläche abgetastet werden, wobei dann nach dem Abtasten eines Streifens eine Rotation des Werkstückes P um seine Achse vorgenommen wird, um den daneben liegenden Bereich abzutasten.

Da die effektive Absorption des einfallenden Lichtes aufgrund von Fehlern an der Oberfläche des Werkstückes P umso stärker ist, je kleiner der Durchmesser des Lichtstrahls in bezug auf die Abmessung der betreffenden Fehlerstelle ist, kann die Empfindlichkeit der Vorrichtung verändert werden, indem zwischen der Fokussierlinse 12 und dem Spiegel 14 eine nicht dargestellte zweite Linse angeordnet wird, mit welcher der Durchmesser des auf das Werkstück P geworfenen Lichtstrahls verringert werden kann.

Die beschriebene Vorrichtung arbeitet sehr zuverlässig und genau, ist leicht zu handhaben und benötigt keine komplexen Einstellvorgänge, um eine Eichung vorzunehmen oder den Betrieb aufzunehmen. Die Vorrichtung kann dabei zweckmäßigerweise direkt am Ende einer Produktionsstraße verwendet werden, um eine Qualitätskontrolle der hergestellten Werkstücke unmittelbar nach deren Herstellung vornehmen zu können.

In manchen Fällen mag es sich als zweckmäßig erweisen, wenn ein Kleinrechner im Rahmen der Auswerteinheit 26 Verwendung findet.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

Μ J Verfahren zur Feststellung von Fehlerstellen auf Werkstückoberflächen, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

a) Richten eines Strahles kohärenten monochromatischen Lichtes senkrecht auf die Oberfläche eines Werkstückes,

b) Bewegen des Lichtstrahles und des Werkstückes relativ zueinander, um auf diese Weise einen bestimmten Bereich der Werkstückoberfläche mit Hilfe des Lichtstrahls abzutasten,

c) Leiten der senkrecht reflektierten Komponente der an der Oberfläche reflektierten Strahlung zu einem ersten Fotovervielfacher, um auf diese Weise ein Signal entsprechend der Intensität der senkrecht reflektierten Komponente zu bilden,

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d) Leiten der in einer bestimmten Richtung zerstreut reflektierten Strahlung von der Oberfläche des Werkstückes zu einem zweiten Fotovervielfacher, welcher ein elektrisches Signal entsprechend der Intensität der zerstreut reflektierten Lichtkomponente bildet,

e) Verarbeiten der Ausgangssignale der beiden Fotovervielfacher, um auf diese Weise ein Signal zu bilden, welches weitgehend durch die Oberflächenrauhigkeit des Werkstücks nicht beeinflußt ist, und

f) Vergleichen des auf diese Weise gebildeten Signals mit einem Referenzschwellwertsignal, um auf diese Weise eine Anzeige des Vorhandenseins einer Oberflächenfehlerstelle auf dem Werkstück zu bilden.

Verfahren nach Anspruch 1 ,* dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der beiden Fotovervielfacher summiert werden, worauf dann ein Multiplikationsvorgang vorgenommen wird, um auf diese Weise Signalspitzen in bezug auf den Signalmittelwert hervorzuheben.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß dieselbe aus den folgenden Elementen besteht: einem Träger (46) für das zu untersuchende Werkstück (P), eine Strahlungsquelle für monochromatisches Licht (10), einem ersten optischen System (12, 16, 20), welches das von der Lichtquelle (10) abgegebene Licht senkrecht auf die Oberfläche des auf dem Träger (46) befestigten Werkstückes (P) wirft, eine Anord nung (16), welche den Lichtstrahl und den Träger (46) rela tiv zueinander bewegt, um auf diese Weise einen bestimmten Bereich der Werkstückoberfläche abzutasten, einem ersten

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Photovervielfacher (22) , einem zweiten optischen System (20, 16, 14), welches die senkrecht von der Oberfläche des ■ Werkstückes (P) reflektierte Strahlung dem ersten Fotovervielfacher (22) zuführt, der demzufolge ein elektrisches Signal entsprechend der senkrecht reflektierten Lichtkomponente bildet, einem zweiten Fotovervielfacher (24) , welcher die in einer vorgegebenen Richtung diffus reflektierte Strahlung von der Oberfläche des Werkstückes (P) aufnimmt und ein elektrisches Signal bildet, welches der Intensität der diffus reflektierten Strahlung entspricht, einem elektronischen Kreis (36), welcher mit den Ausgangssignalen der beiden Fotovervielfacher (22, 24) gespeist ist, welcher aufgrund seiner Ausgestaltung die durch die Oberflächenrauhigkeit des Werkstückes (P) bedingten Rauschkomponenten weitgehend unterdrückt und welcher das auf diese Weise gebildete Signal mit einem Schwellwertsignal vergleicht, um auf diese Weise das Vorhandensein von Oberflächendefekten auf dem Werkstück (P) festzustellen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (10) ein Laser ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß das erste optische System (12, 16, 20) und die Anordnung (16) zur relativen Bewegung des Lichtstrahles in bezug auf den Träger (46) kombiniert sind, indem der Lichtstrahl eine Abtastbewegung durchführt, während der Träger (46) stationär gehalten ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden optischen Systeme aus einer Fokussierlinse (12), einem semitransparenten Spiegel (14), einem die von der Lichtquelle (10) abgegebene Strahlung ablenkenden Spiegel (16),einer ihre Brennlinie im

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Bereich des Spiegels (16) und eine optische Achse senkrecht zur oberfläche des Werkstückes (B) besitzende zylindrische Linse (20) und einem den Spiegel (16) um eine Achse (18) parallel zur Oberfläche des Werkstücks (P) bewegenden Mechanismus besteht, wobei der semitransparente Spiegel (14) so angeordnet ist, daß das von der Oberfläche des Werkstücks (P) senkrecht reflektierte Licht durch Rückleitung durch die zylindrische Linse (22) und folgende Reflexion an dem Spiegel (16) über den semitransparenten Spiegel (14) dem ersten Fotovervielfacher (22) zugeführt ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß der elektronische Kreis (36) aus einer die Ausgangssignale der Fotovervielfacher (22, 24) summierenden Summierstufe (38), aus einem das Ausgangssignal der Summierstufe (38) mit sich selbst multiplizierenden Quadrierstufe (40) und einer das Ausgangssignal der Quadrierstufe ("4 0) mit einem vorgegebenen Schwellwertsignal vergleichenden Vergleichsstufe (42) besteht, welche feststellt, ob die Spitzen des Ausgangssignals der Vergleichsstufe (42) einen bestimmten Schwellwert überschreiten.

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